锂离子电池将会越变越大，并会逐步取代其他形式的大容量电池这个说法有依据吗？

近日，英国《经济学家》杂志介绍了近些年来锂离子电池技术的发展趋势，称锂离子电池将会越变越大，并会逐步取代其他形式的大容量电池，将其应用范围扩展到了几乎所有工业领域。从今往后，锂离子电池的应用将不仅仅局限于小型电子设备了，大型工业和可再生能源上也将频繁出现它的身影。

锂离子电池大型化

几乎所有可移动电子设备的发展都或多或少地受益于充电式锂离子电池。锂是最轻的金属，这一特性使得锂与其他金属相比，能用相同的重量保存更多电荷，从而大大提高了手机、手提电脑、照片机等电子设备的性能，同时也让电动汽车、甚至小型电动飞机等大型设备的研发成为现实。然而，锂离子电池也存在固有的缺点：有些情况下，它充电时需要外部电子设备的监控，否则充电过度会使电器过热，造成损坏，甚至引发火灾；它放电太快，影响电子设备的待机时间。

尽管锂离子电池存在这样那样的缺点，但位于加拿大温哥华的Corvus能源公司仍认为，锂离子电池够稳定、够耐用，现在已经是时候制造更大型的锂电池，为拖船、起重机、帆船等超大型机器提供动力。Corvus公司对大型锂电池的兴趣特别深厚。就在不久前，公司刚刚赢得了一个定单，为一家中国火电公司度身打造一个容量2200千瓦时、个头相当于一个船运集装箱的锂离子电池，作为火电厂的备用电源。

大型锂电池的制造

相较普通的消费品而言，Corvus生产的大型锂电池更耐用，但他们的生产原理却是大同小异。电池虽大，但它的中心部分还是由一块块单独的锂电池构成的。与普通锂电池一样，应用于大型锂电池中的每块小电池都有两个电极，电极被电解质（通常为高分子聚合物组成的胶状物质）隔开。当电池充电时，锂离子将从阳极（由金属锂制成）通过电解质迁移至阴极（一般为碳）。而放电时则恰巧相反，锂离子从碳阴极游回锂阳极，这一过程会导致与电池相连的外电路产生电流，供电器使用。

大型锂电池与普通电池相比的最大不同之处在于它锂阳极生产材料的不同。尽管锂离子电池的阳极通常是由锂离子磷酸盐制成，但Corvus公司却另辟蹊径，使用锂镍锰钴（NMC）氧化物来充当阳极，原因是后者能提供的能源密度更大，因此也更适用于大型锂离子电池。公司老板佩利表示，NMC所能提供的电力比磷酸盐金属要高出22%，是一个非常不错的选择。

在单个锂离子电池准备妥当之后，Corvus便将把它们组装起来，生产出标准为6.2千瓦时的模块，这些模块能进一步组装成储电能力达数千千瓦时的超大型锂离子电池。据公司介绍，大型锂离子电池储电量的理论极限能达到4万千瓦时。举一个例子便能知道这一数字有更客观的认识：日产旗下的全新零排放纯电动汽车聆风（Leaf）使用的锂电池容量也仅为24千瓦时。如此大的锂电池足够一辆汽车全马力地跑上好一阵子了，而如果将它用到手提电脑上，估计永远都不用充电。此外，每个标准模块都会配有独有的电子管理系统，以实现其充、放电率的最优化。这样生产出来的模块可以在30分钟之内实现完全充电，而其实最快的放电速度则仅为6分钟。

大型锂电池的优越性

当然，生产如此性能的锂电池造价肯定不菲。每个Corvus公司生产的6.2千瓦时标准NMC模块的售价为9300美元。同规模的锂离子磷酸盐系统的价格则要低不少，仅为7500美元。但佩利表示，NMC模块的优越性能能够很好地弥补差价带来的损失。此外，NMC系统还能够在恶劣的环境下使用，其满功率的使用寿命更是长达20年。即使使用20年后，大型锂电池功率开始慢慢减少，不宜再用于大型机械之上，NMC系统的余生也能够充分发挥余热。例如，可以把它用作风能、太阳能等可再生能源电力的存储器。

另外，锂电池本身的优势也值得一提。很多情况下，在工业设备中使用电池驱动的电动机要比使用柴油发动机效率更高。但这并不意味着两套系统必须势不两立，二者的结合或许会带来更高效的系统。《经济学家》以海上常见的拖船为例，称拖船的柴油发动机在高达60%的启动状态下拖船都是静止不动，或者说根本没有工作的。这时柴油发动机保持启动状态完全是为了给船上其他照明、取暖等系统提供动力，因此可以说拖船上柴油机60%的燃料几乎是被白白浪费；只有10%柴油发动机的工作时间里，拖船是在全力运作，燃料得到充分利用；剩下30%的柴油机运行时间内，燃料也有或多或少的浪费。如果将拖船的引擎系统中加入锂电池系统，将会把它改造成“混合动力拖船”，在大大减少燃料使用量的同时，也减少了二氧化碳排放量，可谓一举两得。在拖船在用电高峰时，锂电池系统可以助其一臂之力。而在拖船闲置时，则可以将柴油发动机完全关闭，利用电池理为其他设备供电。这一原理跟混合动力汽车一样。只不过在超大型锂离子电池生产出来之前，这样的设想只是理论上的，但在锂离子电池大型化趋势越来越主流之后，“超大型混合动力设备”也必将更多地进入人们的视野。

正当铅酸蓄电池行业在经历着一场前所未有的大整顿之时，被看作“未来能源”的锂电池板块却浮现出新机遇。

在一些人士看来，由于锂电池的环保特性，当前铅酸蓄电池行业整顿将重新打开锂电池的想象空间。尽管在相当长一段时间内，铅酸蓄电池仍将与锂电池齐头并进，但前者的行业整顿和洗牌必然会在短时间内给相关企业带来影响，并引发电池行业的新一轮结构性调整。在此期间，更为环保的锂电池存在一定替代机遇。

另一方面，锂电池还面临来自日本地震后的产业转移机遇。据悉，日本的锂电池产业一直处于世界前列，全球市场占有率超过50%，但地震严重影响了该国电池产业链的运转。行业人士预计，由于日本地震的关系，在锂电池中下游或将出现全年约4%—7%的产能供给缺口，这部分缺口有望在中国和韩国一些产能充足的厂家得到补充。

日本媒体此前报道，松下已决定把更多锂电池生产从日本转移至中国。在2012年前，该公司将投资200—300亿日元，用于在中国建设一座新厂和升级设施。按该计划，到2015年时，松下在中国生产的电池量占比将提升到50%。目前，该公司80%—90%的锂电池仍在日本生产，其余在中国。

作为电池的重要材料之一，全球铝箔产能在日本地震后也出现较大缺口。近期，日本两大铝箔企业先后到中国寻求合作伙伴，这成为当前日本电池产业链向中国加速转移的又一个信号。

记者从中国电子学会获悉，该学会主办的“第三届中国（上海）国际电池产品及技术展览会”将于今年9月在上海举行。目前看来，今年报名参展的锂电池企业比去年多了一倍，和往年铅酸蓄电池企业占主导相比，锂电池企业已成为今年参展的主力军，这进一步验证了电池行业结构调整的趋势。

据悉，该展会同期还将召开“2011中国电池技术创新（上海）论坛”，届时将就当前电池行业的变局和机遇展开讨论。

锂电池必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化。但锂离子电池能量密度高,难以确保电池的安全性,在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,降低可充电次数。因此锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路,用以保护锂电池。 
　　1 电路设计
　　1.1 电路概述
　　锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/ 短路保护和过放电保护等,该电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管(MOSFET) 、有的还有热敏电阻(NTC) 、识别电阻( ID) 、保险丝( FUSE) 等构成。其电路图如图1所示。
　

　　其中集成保护电路IC 用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管的开关状态;场效应管(MOSFET) 则根据保护IC 来控制回路中是否有需开或关; 贴片电阻用作限流; 贴片电容作用为滤波、调节延迟时间;热敏电阻用来检测电池块内的环境温度; 保险丝防止流过电池的电流过大,切断电流回路。
　　1.2 电路原理及参数确定
　　1.2.1 过度充电保护
　　当充电器对锂电池过度充电时,锂电池会因温度上升而导致内压上升,需终止当前充电的状态。此时,集成保护电路IC 需检测电池电压,当到达4.25V 时(假设电池过充电压临界点为4.25 V) 即激活过度充电保护,将功率MOS 由开转为切断,进而截止充电。另外,为防止由于噪音所产生的过度充电而误判为过充保护,因此需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪音的持续时间以免误判。过充电保护延时时间tvdet1计算公式为:
　　t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)
　　式中: Vdd为保护N1 的过充电检测电压值。
　　简便计算延时时间: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)
　　如若C3 容值为0.22 F ,则延时值为:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)
　　1.2.2 过度放电保护
　　在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。过度放电保护IC 原理:为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点(假定为2.3 V) 时将激活过度放电保护,使功率MOS FET 由开转变为切断而截止放电,以避免电池过度放电现象产生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1μA 。当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除。另外,考虑到脉冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。
　　1.2.3 过电流及短路电流保护
　　因为不明原因(放电时或正负极遭金属物误触) 造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电。过电流保护IC 原理为,当放电电流过大或短路情况产生时,保护IC 将激活过(短路) 电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET 的Rds (on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,运算公式为:
　　V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_为过电流检测电压, I 为放电电流) (3)假设V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,则保护电流的大小为I = 4 A 。
　　同样,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。通常在过电流产生后,若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离) ,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作。
　　2 结束语
　　在进行保护电路设计时使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件,必须有高精密度的检测器,目前检测器的精密度为25 mV 。另外还必须考虑到集成保护电路IC 功耗、耐高电压问题。此外为了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充电电流与放电电流时有效应用, 需使该阻抗值尽量低, 目前该阻抗约为20～30 mΩ,这样过电流检测电压就可较低。